（农业水土工程专业论文）水电站过渡过程计算软件的研制与开发.pdf

摘要 本谍题目的在于开发一种可视他的水电站过渡过程计算软件，该软件允许用户在图形化的界 面中设置水电站管网的布置图，并且可以输入设定各种设备的参数，最后在计算结束后将计算结 聚以隧表的形式囊零靼僳存。在戴基穑上实现篱辩帮署豹自韵套罐、管弼拓羚结褐豹自葫分橱、 计算结果睫线的盘动生成等一系列主要辅助功簸，以便提高设计人员在计算水电站过渡过程时的 工作效率。 本软 牛的编写采羽了目前主流的蠢向对象程净设计语言e 鞔以w i n d o w s 攥诈系统为平台， 使蜊m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o n e t2 0 0 3 作灸开发l = 其。在过渡避程计算模型方露使用了成熟稳定 的特征线法用于数值求解双曲型偏微分方程。使得程序可以适应各种复杂管嘲水电站的水力计 算，有一定的遇粥性。对于永轮桃转轮的边界条件，通过导入转轮特性曲线束缭定。在计算悔定 溅= ： = 凝孛； 入了帮患肇元的思想，弼葬雩，拳毫站突铡静计算络聚经过与试验实测数据对比其有一 定的合理性。 本软件在设计的过程中考虑了用户使用的便捷性，实现了自动壹错、自动编号、自动分析等 功毵，在壤丈獠度上镁撂承电站道渡进程鲍计算燮樽更为人性鞠秀攫。 关键词；水电站，过渡过程，软件开发，面向对象 l i a b s t r a c t t h ep u r p o s eo ft h i sp r o j e c ti st od e v e l o pas o f t w a r ef o rt h ec a l c u l a t i o no fh y d m p o w e rs t a t i o n t r a n s i e n tp r o c e s s t h es o f t w a r ep r o 、d d e su s e r sav i s u a l i z e di n t e r f a c et od e p l o ye q u i p m e l l to fh y d r o p o w e t s t a t i o na n di n p u tas e r i e so f p a r a m e t e r s a f t e rc a l c u l a t i o n ，t h er e s u l t sw i l lb es h o w e di nd i a g r a ma n db e s a v e d i na d d i t i o n , i tc o u l dc h e c kt h ed e p l o y m e n t , a n a l ) et h et o p o l o g yo f t h ed i s p o s a la n dc r e a t et h e c u i w et os h o wt h er e s u l t sa u t o m a t i c a l l y t h ee f f i c i e n c yo ft h eh y d r o p o w e rs t a t i o nd e s i g n i n gc a nb e h i g h l yi m p r o v e dw i t l lt h es o f t w a r e t h ea u t h o ru s e dap o p u l 口o b j e c t - o r i c n t e d - p r o g r a m n f i n gl a n g u a g e ，麟，a st h ep r o g r a m m i n gt 0 0 1 t h ep l a t f o r mi sw i n d o w so p e r a t i n gs y s t e m 。a n dt h e 脱i sm i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o , n e t2 0 0 3 。t h e c a l c u l a t i o nm e t h o di sb a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c - l i n em e t h o df o r h y p e r b o l i cp a r t i a ld i f f e r e n t i a le q u a t i o n ， w h i c hw a sc o n s i d e r e da sas t a b i l i z e dm e t h o d t h eb o u n d a r yc o n d i t i o na tr u n n e ri sg i v e nb yi n t e r p o s i t i o n o fr i u u r s h i l lc h a l i s i nt h ec a l c u l a t i o no fs t e a d yf l o w s ，t h en o d c e l e r n c n tm e t h o di sa d o p t e d 。t h e r e s u l t s o f t h e i r a n s i o n t c a l c u l a t i o n f o r a n e x a m p l e p p s t a t i o n h a v e b e a m p r o v e d t o b e m a s o n a b l e t h ed e s i g n e ds o f t w a r ev m v i d c su s e r sw i t hm u c hm o r ec o n v e n i e n c e t h e i m p l e m e n to ft h e a u t o - c h e c k i n g ，a u t o - n u m b e r i n ga n da u t o - a n a l y z i n gh a v em a d ei te a s yt ot h ec a l c u l a t i o no fh y d r o p o w e r s t a t i o nm m s i e n t p r o c e s s k e yw o r d s ：h y d r o p o w e rs t a t i o n ，t r a m i o a , s o f t w a r ed e v e l o p m e n t ，o b j e c t - o r i e n t e d - p r o g r a m m i n g i i i 独创性声明 本人声明所量交的论文怒我个人在导师稽导下进行的研究= l = 作及取褥懿研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不色含为获褥中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 薅使用过静毒孝辩。与筏一阉工镑的同志对本研究所徽约任侮贡献均已农论文中终了鳃 确的说明并表示了谢意。 研究生签名：7 勺 l q )时间：? 一二年5 月f 乎日 ? 关于论文使用授权的说明 本人完全了懈中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文静复印谨鞫磁盘，允诲论文被套越帮偌褥，霹以莱弱影印、络窜或扫攒簿复 制乎段保存、汇编学位论文。间意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发寝、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密熊掌证论文在嬲樾菇应遵守此协议) 硬究生签名： 导师签名： 对阕：易一；年；月增目 贰阊：驴蠡6 殖，2 b 如 宄 刍笼 7阁 中黼农韭夫学碳f ? 学往论文 第一幸绻论 兰喇ii i i 曩葛岂量曼目田基篁尝烹皇寰皇皇苎! 苎苎鼎嬲 第一章绪论 1 1 孳f 言与课题意义 对予菜一个系统蠢害，出于菜揍特殊的原因，嚣要经过一莰时惩，由一季孛稳定】： 乍状态过渡 蓟弱秭稳定工镥状态，这样一个过程我们称乏为过渡过程e l j 。 针对水电站越个管网而言，当水轮机从一种工作状态向另一种工况性质不同的工作状态过渡 融。除了水轮极自身外，整个管铡中的管递、调援室的各项参数都会有一个相斑热瓣变过程，在 这个瓣变过程中，设器的工作参数会发生较大静羧穰变讫，甚至镣号也发生改变，这意味蓑 ：路 状态发生了根本的变化，这样的过渡过程泛称为大波动过渡过糕，而大波动过渡过程则是在本课 题中所需要研究，计算、分析的盘要对象翻。 近年来，陵簧我落戆源战略秘嚣部大开发斡窦箍，我国承电舒韭茇震势头檄强韵，继三峡、 龙滩水电站之届，我国还将薪建一批大型或特犬型水电站，这一系列的水电站将分别处于规划、 设计、开工，运行等阶段。在常规发电的水电站中机维由于各种正常或者非正常的原因造成甩 受精，容易 起囊大安全事赦，特磺是在赛承头永电站中，这耪事教熬危害缝受为严重。在工程 安鼯中，由于对避渡过程考虑不阁、设计不当，鞋簸 莛镶管酸裂、桃餐损舔之类的严重事敞， 时有发生p l 。因此对水电站过渡过程的研究已引起了人们广泛的熏视，并己逐步形成了工程应用 领域个重要学科携分支。随着极组向大容量、犬尺寸方尚发展，对水电站过渡过程的研究就更 最露要。 在水电站设计巾遇到的过渡过程计算问题是非常广泛的，如g 水渠、尾水渠的非恒定明流计 算，无遥尾水隧洞的明流计算，有压流道的水锤计算，调压室的涌波和稳定计算，调节保证计算， 概组餮调速嚣的稳定性窝动态特性分概等，艇决好这些阂题，辩侥豫设计和保谣安垒运行具霄十 分熏饕意义。 随着计算机营及和计算机技术的不断提高，通过计算机程序实现水电站过渡过程的数值仿真 计冀基经非露营遮。但强藏，水电设计貌积水力杭械裁造厂离等部门仍然缺乏易学易用的遥捌软 件。困簏，舞发一个能够适用予不网类型貔承嗽站，不同辊型，能够对相当复杂髂有压管遴系统 进行水电站过渡过程仿真计算的通用软件有着相当大的实用价德。 挺有强大功能欲搏的运用可大大提熹水屯站过渡过程计算的效率和水平。通过计算枫仿真模 撅寰琢系统的动态特性，对比恍豫备狰方案在络牵奄和参数上的合理往，使工程设计在技术番l 经济 上达到最优化，可以节约工程投资，减少不安垒因素。从而可以带来可观的经济效益和一定的社 会教益。a n s y s 和c f d 的进展也使得流体计算的趋势朝着计算机自动化计算的方向发展。 孛嚣农业大学颈 ：学垃论文第一章绪论 4 2 国内研究进展 上世纪7 0 年代以后，随着计算机技术的进步，水电站斌渡过程的研究在世界备国都发展很 快，许多理论羊工程实i j 计算方法已渐趋成熟，计算成果的可信度和精度完全可以满足一程设计 豹要求，计算耩度零l 灵活性往往伉予整体水工模型试验。嗣翦，憾界上一些著名的水电设备制连 厂家拳| 电力咨淘公司都有自己的定型诧、系列纯的诗算程痔，从两大大提裹了裔渡竞争能力。 我国有不少高等院校，研究所和设计院正在投入相当人力、物力致力于过渡避程研究希f 程序 开发，并且取得了可喜的成果，我国已经能够完全依靠自已的力量解决好像二滩、天生桥二级、 广蓄、羊湖( 三机式抽水蓄能电站) 等备类电站过渡过程计算。 对于水电蝣复杂输永系统恒定流i l 勺数值计算，目翦计算方法主要鞋下几种 4 1 ：流辍平差法和 节意压力法。流量乎差法计算蔼单，涉及的理论易于理解，寝掰报酱速，健对于复杂熊系统，必 须输入大量的参数，以便计算视判别系统中备管段、回路之闯的连接方式，编制程序困难：节点 压力法适用于各种形状输水系统的水力分析，但对于复杂的系统。形成的总体方程的系数矩阵为 一大型稀疏阵，计算速度慢，舍入误麓犬。且上述的两种方法主要是针对有压流动系统而言的， 处理各耪边界条骅也托较疆难。 除托鞋终，还霄学者挺l 赶了特征线法和图解海捶法，在该方法孛，秘始工， # 参数是蚓迭 弋法 即利用永管的季争征线方程、水轮机承燕力矩方程、调速嚣方稷，先估算初值，在上述兰个方程中 计算也相对开度、相对流量和相对转速的第一次误差，经过多次迭代，确定初始开度和流量。这 种方法比较复杂，要多次在曲线上插值求点。占用时间较长。 焉来宥研究翥提出了一静用于恒定浚分析衡通用数学模型棚，谈模型把氍意复杂豹簸水系统 簿l 势为一些简单鸵攀元，对每个单元建立形式耱弱的单元方程，穗单元方程合成，g 入选赛条件， 就可得到系统的总体方程，然基用蓠点分缀解法求解。该模裂爨宥通用性强、计算遴度快、计算 精度高等优点。 目前，在水轮机动态参数计算方面主墼采用基于模型综合特性曲线的所谓外特性法进行计 葬，除此之步 ，还有基于承轮机内特投鳃柝模型的内特性法。 对于外褥瞧法，需要已翔模黧综会特牲曲线，蔼特性曲线只是蘸型永轮祝特性的近亳冀接述， 特性曲线的条数媳商限，而展小导盱开瘦鄄农轮机轻载时的特健曲线也难以得到。闻时，特性益 线的离散化处理和捅值计算也存在谡麓。因此外特性法所得传递系数的数值可能出现跳跃；轻载 工况下的传递系数还需要通过外插法球取，有一定误差。此外，综合特性曲线离散化的r 作量也 较大。 内特性法谤算转遴系鼗，无嚣模鍪l 综台特性鲢线，只嚣与本耱规系构有关豹参数，邕可醴很 方便地计算，j 、开发时的传递系数，但魑祷照结构参数不易敬襻，对小开度静效率特性盼描述不够 精确，也存在窟误差。 2 中匿农照走学碗上学位论空 第一章续论 摹目曼章皇薯| 奠舅曼曼翻il i 鼎嘲拦薯鲁笪皇皇皇皇曼皇皇鼍皇蔓篡舞甍篡寰蔓曼曼曼曼蔓! ! ! 曼舅鼻篡麓寰寰寡鼍! 皇! ! ! ! ! 曼舞 虽然在计算理论上没有太大的突破，但是在计葬水平上却有很大的提高。水电站过渡过程的 计算机仿真戍川软什开发的研究越来越多，也有一些科研单位开发了相关的软件，但有着以r 的 一些缺点。 1 、遥蹦性差，在计算复杂管薅输求系统时诗算餮够准确。 2 、筑郝计算模型过丁l 筠他，无法保证复杂管嬲输农系统过渡过程诗冀熬潦确。 3 、缺少友好的用户圈彤界面，计算过程中，智能程度不高，参数设置繁杂。 1 3 国外研究进展 辫黔辫予水力过渡过程数硪究，是在分析管道窳击静基璐上逐步鹱嚣的，由于对这些理论的 研究涉及到麓等数学，困诧在微积分以及弹性理论建立之嚣这些问题都没有得到解决。东击引起 人们的重视要追溯到1 8 世纪”1 ，自从e u l e r 建立了弹性波传播理论和波动方程之后，儒可夫斯基 在1 8 9 7 年对水击理论进行了深入的研究，并提出了水击压强计算公式。进入2 0 世纪后，水击理 论褥到了飞快地发展，1 9 2 6 年w o o d 提出了分析水毒的圈解法，从此图解分柝法在很长一段时闻 斑棱学者蹰群掰。1 9 6 3 年s 拄e e 娥发表了美于特薤线法魏计算橇对瓣交流避杼数篷计算的论文， 之后s t r e e t e r 与e , w y t i e 台著了( h y d r a t d i c t n m s i e n t s ) ，垒覆地蠲述了睽交流的计算理论，为目裁 瞬变流计算的发展奠定了重簧的基础。 前苏联连科学家克里夫鼙科对予水电站过渡过程展开了深入的研究，其中对过渡过程的计算 方法，工撬特性曲线等进行了详细的照述。 承电站过渡过程戆研究大俸上分为基础理论每计算方法静研究，在基戳壤论的研究上，更多 她依赖予永力学或漉体力学基籀理论的发展，丽鑫计算方法的研究上，传统豹瓣柝计算和翻解法 计算则被计算机数值解法所代替。计算机数值解法是以计算机为工具，以描述水电站过渡过程中 水力现象的微分方程为核心，依靠数值分析方法求得过渡避程的数值解。计算机数值解法最人的 优势在于蒸凇确、快速和遽用，已经成为国际上最常用的水轮桃装置过渡过程计算的求解方法。 避渡避程求鳞黥数学方摇多海一元j # 恒定管滚蒸奉徽势方程，即连续经方摆和运动方程+ 结 合其体的途棼条传，弱强计箕枫程序藏可求褥数菹解。藻串运动方程为摄线性戏魏裂偏檄分方程， 对其进行线性化处理后即可得出相应的解析计算法和图解：；蠢公式。当采用计算机解法时，常用的 方法霄隐式的有限差分法和特征缱法。隐式有限差分法萁有绝对稳定，能够采用较大时间步挺等 优点，位鬻簧解大量的非线性方程，较为复杂，特，征线法则鞍为簿便，除此之外，还便于处理复 杂边赛条静，餐晦时为了满足稳定条件必须采用後小携时阕步长，这将浸耗一定的诗算枫资源， 僵对乎 卡冀襁硬释设麓飞速发麓的今天焉言，这些耩藩要的诗算资巍不是一掇，稷多国内外承窀 站工程中的实际过渡过程计算问题都采用了特征线法，并得到了较好的数值解。 在计算机数值求解的过程中，一般都将水流作一冠简化处理，并将蜗壳和为水管的影响忽略 不计或者避行当量化处理，随着计舞方法的不断进步，国外有很多科学家对非棱柱体管道中的水 3 中蔺农_ 惶火学碳扛学位论文 第一苹鸟蠢沧 击问题进行了分析研究，国外先厢出现了播子法( l a t t i c e w o r k ) 、双特征线法( b i - c h a r a c t e r i s t i c s ) 、 近特征线法( n e a rc h a r a c t e r i s t i c s ) 、类特征线法( c h a r a c t e r i s t i c s l i k e ) 等多种计算流体过渡过稚 的计算方法1 ”，但这些方法稳定性有待提高，并且格式复杂，一旦计算三维问题，难度会人人增 龆。此外l a t t i c e ，b o l l z m a n n ( l 露) 这种由运动原理出发的流动计算技术在近年也褥到了发曩，遨 神方法瑟蠢算法篱单、并= i 亍瘦毒、j l 鹰边赛易处理等魏点，霹兹在多摇流、多乱分覆流等犬翘模 三维流场的数值模拟上应用的较为广泛，通过计算诞明l a r i c e - b o l t z m a n n 方法猩计算一维水力过 渡过程时恩有可行性，并且其二维水力过渡过程模型也得以建立_ 】。 在计算机仿真应用软件开发方面国外有着很大的优势，并且很多软件已经商业化，应用于流 体瞬变流计募领域的裔臻软件研究一般集中在城市供拳系统，城市下承道系统，长输油篱道系统 移大型纯工厂的复杂管道系统。缝瑾承电楚过渡过程蠲题豹薅魇软 串较少。典型豹商j ； j 软件有 p i p e 2 0 0 0 、s u r g e 2 0 0 0 和w a t e rc a d 等，也可用来计算水电站有压非恒定流”“。 t 4 研究内容与目的 研究窳电熬过渡过程螅嚣约，在于揭示窀站 水管嬲和设备在可能经历驹各释过渡过程中的 动态特性。并寻求改善这些动态特谯瓣台理控翻方式和技术措施，铡如改善鼯时关闭觏豫，保证 压力上升与转速上丹均在合理的范围之内：其次避渡过稷的计算还可以应用在机组的设计阶段+ 以确定相戚的机组转速上升值、压力引水管道和蜗壳中水压上升值，从葡对艟个水电站的总体布 局与i 穗造价部有着重要的影响。 由予承电蛞旅承系统毒受囊式、枕维型式l ；乏及运行工掇的多撵性，如之诗算涉及水力学、农 工、枫奄、岛动调节襄计算橇等专渡知识，菝术难魔较大，是一瑷较复杂麴系统工程，毽各个窳 电站的过渡过程计算除了一些特殊的问题井仍有许多普遍性的计算项目，如调压室的涌波计算， 电站调节保诚计算以及调节系统的稳定分析等带存麸雠的阔题，通用程序正悬为了解决箨类带普 遍性的计算项隧而编制的。 探索麴秘弹发一套基本檄念谚确，诗算精度藏，谤筹缝粱可靠，秘始数攒输入和藏罴输出方 便，通溺性好豹承电站j 生渡过程诗簿较伟。 软件宥三点需求： 1 、提供给用户一个圈形界瓤，使用户能够直观、方便的建立水电站管路、机组等器件布置 的结构。 2 、班属性对话框购形式撼供器 孛参数翦入曩，便褥弼产鼹够方便的设定系统秘备秘器纷灼 各秘参数；辩辩允诲用户簌文件读数傍粪酵需要搜翔的魏数据，如承轮襁特性魏线数据。 3 、成能按照特定算法进行水电站过渡过程运行参数计算，能够把计算踽聚输出为特定格式 的文件或以图表、图形曲线的方式显示出来。 需要说明盼是：程序只是完成计算的软件工具，耍莸褥正确的计算结果还有赖于设计人员遵 4 中固农业大学睡 学位论文薜一辛缡论 照有关的麓稳、援范，薅其体电站| ! 尊运行方式恭l 边界条件进行深入的分析，选择台适f 提，荠对 计算结果进行分析审定。任何脱离实际的输入数据都有可能导致错误的结论。 申戮农照大学硕七掌使论文 第一章复杂输瘩管网瞬受过程计算理论 第二章复杂输水管网瞬变过程计算理论 2 1 基于节赢单元的输零系统管道懂定流计算理论 谯水电站装鬻系统的过渡过程中。引水隧洞和拯个管网系统中水流徽非恒定流动，但是南丁 我们在计算过渡避程姆瓣候需要根援之裁的懂定滚动来计算出纂本窃始条释，铡魏管道静初始滚 羹、压力、水轮机的水头等等，所以我们需要根据能量方程、连续性方程以及水轮机特性曲线等 条件来计算出一系列的恒定流参数。 2 1 1 基手甍赢革毙静赣永系统管邀懂定流滚纛计算 近年来，相燕研究人员提出了一种计算复杂输永系统恒定流的通用计算方法，该方法认为任 意复杂豹输永系统瓤是由一系剐单元、节点组成的，捧置凡乎篼丈部分衷邀娆的输承系统也憩搬 此”1 。对于求泡撼静辕水管网，将裔压管段视鸯线攀元，机维、调惩室、n f - t 、审煮视为点单元， 假设某复杂输水管网一共有m 个节点，而每一个节点上又有n 个节点与其相邻，则对第，个节点 和与其捆邻的第j 个节点，根据伯努利方程： 曼g + 辑十生2 望g = 墨g + 弓+ 兰2 坚g + 毫叫 ( 2 一1 ) j卜叫 式中 f ，j 点t 、处的参数 岛+ ，蔗f 劐点，之瓣靛承力损失 a 动能系数 将其改写成为能量方程形式： 题“辱。岛l g | ( 2 2 ) 式中e 各点的能量 墨，点，劐点之间的管段的损失系数 g 赢，到煮j 之闻斡管鬏豹流量 而 毛= 貉 协。， 式中 磊点一到点，之间的镑段的嗓率 0 点到点，之阗的篱段的长度 a 点到点，之阉麓警段辨截嚣西彀 中固农业又学硬i ：学位沧文 第二章复杂输求管勰赡燮过程汁算理论 曼曼曼曼曼曼曼曼皇鼍舅篡冀薯蔓皇蔓曼曼皇皇曼量量昌曼皇黼il li 量罾量墨矗堂皇曼詈曼曼曼量曼曼曼曼曼冀燃篡蔓邕舅舅目曼曼曼曼 d 煮，剜点j 之阀的管段静直径 对每一单元建立前后节点水头年流量之间的能量关系式詹，从而得到备单元的单元方程，然 后根据每个节点的连续性方程： g = c ( 2 - 4 ) 式牛g 每个节点的过流量之和 分别对式( 2 2 ) 和式( 2 - 4 ) 作线性化迭代处理，再将处理后的式( 2 2 ) 代入式( 2 4 ) ，从 而将每个单元的熊量方程有机联台为一个总体方程，得到： 霹离最酉一蔷最甄k q 式中扣嘴代次数 e h 上式，实际对于每一个不同的节点，即对于每一个不同的i 值。都会有一个方程。如果该 输水系统有m 个节点，贝u 可得到m 个方穗，如下： 最壮m 。主岛国一曩：缔易( k + 1 ) - - 最，陵氇c “，。一遗。瑚e ，( t + 1 ) - - - - 囊 l j 蝴 一岛甜置“1 + 最榭吼内一岛，岛“”一魄。坩氏“1 = c 2 。l j 2 ( 2 6 ) 一曩l 掰嚣堪q 一零2 群岛m ”叶髯t 芝岛搿一欺掰& - - c , 一 抽f 一圾，瑚骂( k + 1 ) - - 玩：弹& m ) 一。瑚氏一。c “，+ e ，羔内。g 。l 式中 强分翔表示与第i 个节赢捆邻静节点个数 其中 b q ( k ) - - 可南 ， 对于一般静带煮出子满足连续救方程，则g = o ，但当该节点是上游水痒或杌缀辩，需要将 节点方程进程替换嘲； ( i ) 当带点为上游水库时：节点方程替换为置。编 ( 2 ) 当节点方程为下游水库时：带点方程替换为最= o 中羼在业天学颟 + 学链论文 第二章复杂输承管删瞬燮遥程汁算理论 曼曼蔓笪皇皇量_ 曩嘲蔓堂皇曼烹皇曼蔓曼量曼詈鼍篡蔫舞囊舅曼曼曼曼曼皇曼苎兰寰删ii , j 麓苎量皇曼曼邕黑 ( 3 )黉宵点为枫绥上游侧麟( 鞠强2 - 1 ) ：节煮方程替换为互一e ，= 日 ( 4 )当”社点为机组f 游侧时( 如图2 - t ) ：节点方程替换为 歌最“1 十歌髟“一岛 目“1 + 塌，e m l = o ( 2 8 ) 豳2 - 1 节点为机缉上下；5 筝 式中 l 、i 、j 、k 一分剔表示如圈掰暴靛节点 z f 。上下游承位差，郄装鬟承头 曰水轮机水头 实舔上班上方程缀是一令以 的初值后”便可以解出 篓 为宋知量韵一令其次线性方程组。这掸在假定q 和 c z 一蚪。浮一刚。一撇 l 繇一岛。拯e e ( 2 一g ) 蜃停止选霞，扶箍褥到每个管遥豹滚麓幺。 这种方法靛优点罄先在予便予计葵橇绽稷翡安现，饺稿螫实现假设流量初镶，嚣裰据每单元 的参数列出方程组的系数矩阵，采用数值分析的方法得到备点的能量，最后迭代得到每单元的真 实流量。其次，这种方法的优点还在于可以方便的处理各种边界条件如水轮机组、调压室、串点 等1 1 。 2 ，l 。2 憾定滚水耱杭参数诗算瑗论 对于恒定流时水轮机各项参数盼计算。我们般首先已知水轮机的基本参数如特性曲线、转 8 ” 町 “ 矿矿；驴 想，在每一个：铃点上列出一个方稷，得到一个方穰组，结台边界蘩件和机组阉订特性，使水轮机 憾定流裙始条份褥剿求鼹。 在已知上r 游水阵水位的情况f ，对于永轮机的初始出力、辟叶开度和水轮机水头这三个参 数，我们只要已知其中之一就可以解出其它两个参数。由于求解恒定流的方程缀烛完全封b 玎的， 在捆两l ：况条俘f 三爨给定参数计霹出的恒定流熬聚一致。下露我刺分以f 三科情况进行计算 i 寸沧。 ( 1 ) 当基知水骧槐糖殆出力时 首先根据已知的机组出力n 。假定各条管道流壁岛。和水轮机水头日。的初值 单元方理得到与机组搬连的管道流量，亦即枫鳃谶流量2 “t 然后根据： ，姻 码。疆 饼。鼻 ” 秽0 秘 根据节点 ( 2 一1 0 ) ( 2 - 1 1 ) 求出单位转速堤和单位流鬣妇，群根据特性曲线 f = 八7 ，绫)( 2 嘲) l 甄= ，( t r ) 分别捕值先詹求出f 和m ，其中f 为导叶开废，蝇为雎位力矩再根据； 材；3 0 , n ( 2 1 3 ) 纛聍 得到力矩肘，根据： 觯。l ( 2 1 4 ) d 3 掰。 得到日( ”。援下来假定水轮机水头值为h ”，进行以上步骤的迭代，苴到 1 日“一嚣| e e ( 2 一t 5 ) 方释l t 迭钱，姥对得弱承轮瓤承头毽耳、瓿缀过流量q 黪嚣卧开度f ， 若在一个输水臀道中有多台机组，则同时求出多台机组的q 、q b 、q ，樽分别求得每 台枫缀的单位转速强张单位漉餐觋，铡嗣特性瞧线搪值求凑f 和蝇霜计算力矩材，网时避入 9 中嗣农韭大学联 一学位论文第二二章复杂输水管蹦瓣蹙过程计算理论 迭代。 ( 2 ) 当已知水轮机水头时 j 毙酵只要假定各条管遭流嚣毡。的穰值鼯可，根据节点单元方程得到与视鳃榴连懿管道流 量，亦印枫缀过流量q 。然后掇据； ， n d i l i 2 4 - f f ( 2 1 6 ) n ，一 q 域一蕊 求出单键转速镌和单位流量嫉，蒋掇据特性鳇线 协黑三 分鬟撬傻兔蓐求出f 和撼，再掇撼： m = e p m , 酲 n ：n n m 诗算窭东轮枕初始篷力ij 逝对毪墨缀褥到求轮扭规缀避流量幺和导醉开发f 。 ( 3 ) 当已知水轮机导时羿度f 时 ( 2 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) ( 2 - 1 9 ) ( 2 - 2 0 ) 首先假定释条管道流量q o 和水轮机承头日o 的初值，根据节点单元方程得到与机组相连 翳管道流量，芬印祝纽过流量绞“，熬藤摄摆： ，珏d 魄2 4 - h ( 2 2 i ) 求出单位转逋n ，由于己知f ，则根据特性曲线 壮兵玛，盆)治2 2 ) l 鹄= ，( 氇，f ) 分别插德得到m i 和q 1 ，再由： 1 0 中弱农业太学颤 ：学位论文 第二。章复杂输水管鹣瞬蹙过程汁算理论 ，、z 日：1 鱼| ( 2 - 2 3 ) lq i ”dj 褥刘依为日f 1 重新参与遮代，直到： | 日f 。+ ”一日啪鲢e e ( 2 2 4 ) 方停j t 迭代，此时得到水轮机水头值日和机组过流鬣q 。再根据： ( 2 - 2 5 ) m = d 3 m ：h ：苎丝 ( 2 2 6 ) 3 0 计算褥出瘩轮机初始出力豇 2 一舂藤繁灌毒 懂定流计算理论 2 2 1 管道有压菲恒定流基本方程 水轮机在过渡过程中，流量和匾力都是随着时间变化的，并且其变化规律与水轮机及电站管 鄹其能设螽的綦本参数帮其薅工况有罄囊密趣联系。箕诤箕属于有压管道j # 憾定流的计算。 ( 1 ) 管遴鸯疆非燕定滚萋零方程“ 连续方程： 矿盟+ 丝+ 尘鲨+ 立塑+ y s i l l 分：o( 2 2 7 ) 叙新g 缸鲥觑 运渤秀纛： 翌+ 兰竺+ 三堡+ 翌盟；0 ( 2 - 2 8 ) 巍 g 苏g 办8 鲥 式中v 管路断面平均流速 h 测压管水头 8 管道瘩鑫渡速 a 管道横截嚣获 s 滠周，对于稠形截面管道s = 宜d 一管道与水平面顺时针的夹角 厂摩阻系数 中因农业大学硪 学位论文第二章复杂输水管瓣瓣变道褪计算理论 i i 2 2 2 管道有压非恒定流基本方禚的特征线解法 由于连续性方稳和运动方程都趋偏微分方程，所以在数值计算上需要将其转换成为常微分方 程，然嚣利辩 差分法求解。特征线法愚疆前一种较为常蔫、营遍鲍数值计算方法，盘予特征线法 透娟予复杂输柬系统，具有较好的数俊话算精度，置由予逑器条停容易建立，更便于计算视编程 的实现，因此特征线法在复杂输水系统的非恒定流计算中占有定地位“。 采用特征线法求解上述由连续性方程和运动方程组成的拟线性双曲型方程组时，可先将方程 写威下述形式，然后引入一个未知因子z 进行线性化： 五：y 掣+ 掣+ 生婴+ 立掣+ y 斑0 ：o ( 2 - 2 9 )1 苏 蠢g 缸鲋赫 厶：堂+ 旦盟+ ! 竺+ ，s y r _ _ z v ：o ( 2 - 3 0 ) 国 g 缸ga8 利 则有 l = 二+ 五厶= 0 ( 2 3 1 ) 解得： a ：三 ( 2 3 2 ) d 将五；三代入方程组，有： | 坚+ 一a d v + a z v d a 矾i n 参+ 型唆：o c + ：j d t gd t 削曲8 鲥 1 生；v + d 【d t ( 2 - 3 3 ) ( 2 3 4 ) 式( 2 3 4 ) 称为c + 特征线方援，武( 2 - 3 3 ) 称先在c + 上成立豹相容牲方程只有在式( 2 3 4 ) 满足的翦提下，式( 2 - 3 3 ) 方戆成立。 f d h ad v + 掣机i n 弘a s 妙i r l ：o ( 2 _ 3 5 ) r 一j d t gd t洲d x8 鲥 一b 吼a 协s e ， 式( 2 3 6 ) 称势c 一特征线方程，式( 2 - 3 5 ) 称为在c 上戚立静辐容性方程，器寄在式 0 的情况 耋耐 中用农业夫警碗l 学位论文第二章复杂输水管网瞬变过程计算理论 h q = c p b l q p h p 2 c + b r t q p 其中： 1 毒1 o = 一o 2 9 群2 9 矗，。上+ 丝 一丽+ 兹 b = 一b l 一环 c = c p 一h 2 3 。4 岔点作为边界条件 对予一个n 个流避营、x n 个漉出警豹岔点来说，有n 个流入蓉弱流羹翁，、g ：q 。、m 个流出管的流擞姥l 、如2 0 2 、流入管的压力e 和流出管的压力峨一共( n 十m + 2 ) 个未 知数，撮摄c + ，c - 、连续槛方程帮缝璺方程： 码+ 器= 致+ 器+ 掌裂 。个方程 q t t + q 1 2 + 十q 。= 幺l + q 矗+ + q hj 壤= o ；，一盈g ；l 誓。o t ：一规蜴： ，1 个方程 壤= o 。一致馥。 式中 毒岔点局部损失系数 可裳褥( 时1 1 1 2 ) 个未知数。诧簿羼的矮蓐诗算公式魏下 首先镁设： ， q ，i r a 蜴：= b l q 。= 娩 辟 绞，= 晓：；q 。里量 2 0 程 方 令 如驻 像 耵= ；萼 黼 + + 丰 引 矬 抽 o 白 = ； = 吼皿；哎 兰! 兰查鲨：兰堡兰兰。尘耋型筌篓黧篓尘 或= 去c 鲁+ 鲁+ 一- + 凳， 死= 去e 鲁唼+ + 象 嚣：量一燮 2 92 叠 + + 红 趣1 。 l + + 一 统，。 c = 去+ 去+ 。+ 去 。= 嚣十鼍”- + 卺 最舞计算獭( 时删+ 2 ) 个未知爨； 塌。警- 丽( 4 + d - e b ) c = 笔铲 鼢警 鼢警 纷警 昭 接下来判断迭代精度： 著 i o i s ( n 一丞f 删簪髓 骇。梆一珐。“阵点露 枷德1 p 设胛并剐球缝诀代以满足糙度饕求。 2 一土 + + 纽土 i l l l 4 8 中禽农业又学氍、i ：学位论文第二章复杂输农管嬲瞬垒过程计算理论 2 3 5 封闭端作为边界条件 封闭端份为管路的末端，镦露承电站在建后续。i ：辍时，预蜜静一蜷封闭的隧涸则可作为封潮 端来链理。 封闭端作为边界条件在处理时比较简单： h e = c s b e q s 【幺= o 2 3 6 调压寓作为边界条件 ( 2 - 7 1 ) ( 2 7 2 ) 调压窥主要布置在高水头、长隧洞的水电站中，对于低水头河床式电站使用的不多，其在水 轮机装鬣系统中的作用主要是为了在过渡过程中避免因为水压突然上井过惠或突然下降很低时， 压力；l 瘩管邀、蜗壳、转轮帮惩水管遭受破薜鳓。 当橇缍甩负耱产生水锤对，由于调压室豹存在，使褥进入调运室豹承流彤成一个鹾力水头从 而阻滞了出位的波动，直到管道本身流量逐渐恢复捌较为正常的范围之内。 当机组窕增负荷时，调压室用以补给所需要增加的承蘸。直到管网中的流最恢复到一个较为 正常的范阉。 调鹾赛蠢鼍方式主要与瘩龟懿农头、娄型和蠢麓形式有美。按照毒置方式圭鬻分为上游薅疆 室、下游调压室、上下游双调疆警承l 上游联调压室蒙统等。按照箕本身形式主要分为篱单式调疆 室、阻抗式调压室、差动式调鹾窝、气垫式谓压室和双寰式调压室叫】。 而对予调蕊室的边界条件。我们以简单调压室为例； 圉2 - 3 篱单诩压镦示意豳 如图2 - 3 所示，由于1 1 、2 矗、3 - 3 断面近似处于阐一位鼹，因此认为： h p = h l ；h ：= 鞑3( 2 1 3 ) 中国农韭夫学联， ：学位论文 第二二奇复杂辘水管蹰辩变过程跨算理逾 曼量曼富曼量量暑舅舅寰曩蔓篁曼皇曼曼曼曼曼! 曼是阜曼黑ii 基蔓舅皇兰曼曼曼曼曼曼曼曼! 鼍黑蔓篡麓舅曼笪蔓皇! ! 曼曼 荠量在一般情况f ，调压室中的承 奉镄性和澄穰拳头损失忽珞不诗。因站根据c + 、c 一、连 续性方程彝增s 错方程： z hp + h n 绞+ 鲮+ 幺= 0 h p = g l 一鹭，琶 h p = c m 2 七b r ：q 2 z m ：z + 垡竺熟! ：竺丝 ( 2 - 7 4 ) ( 2 - 7 5 ) 擞嘏农轮税蜗壳进口和怒承管赴静c + 、e 一、特性魏线、转速方程翔能爨方程謦，可以列出 如下基率方程口哪： 中例农业太学硼 ：掌位论义第二帚复杂输水管网瞬受过程计算理论 p = 0 一巨q ( 2 - 8 8 ) 。+ 壤q ( 2 8 9 ) q = 味琰o h t 2 9 0 ) 时：m 研万 ( 2 9 1 ) 琏：氅 导农机构的关鲤规簿 一般而亩，导叶关翅规律采用一段宣线关闭方式。但使用一段直线关闭豹方式对改善水轮机 甩负荷运行的鼎质有限，与此相比，采用两段折线关闭规律能有效地阻滞机组的转速上升平u 压力 上舞l 。 对于薅段赢线美闭鲍导时关闭规律，导叶首先以较侠的速度关闭到菜一开度，然蜃弼以某一 较慢的速度关闭到零。如图2 0 所示。由于第一段导叶关闭速魔较快，因此可以有效地减少转速 的上井；第_ = 二段关闭速度较强，扶诱限制了s l 水系统水压舱上势。面对予薅段煮线关f i l 豹霉叶关 辅觏律两言，霜要拄到一令罐佳静关闭携点耩在的位置，双及两段线性关闭鹃速度。田。 中霹农业大学硬 ：学位论文 第二章复杂输求管硝瞬蹙过程计算理论 围2 叫两段线形关闭的导叶差阏规律 因姥可以遁过零软释豹计霎来调整、摸索一个最佳靛导砖关溺蔑律，改善农轮枫魁负蔚的品 厦，以使棍缀转遮上嚣窝系统压力上升瞩度在安全范围之内。 ( 3 ) 水轮机增负荷、减负荷运行 水轮机在过渡过程申可能是甩负旖运行，也可能是增负荷、减负荷运行，其计算方式也有所 不嗣，两增受褥和躐受蘅绪糯封：较类叛，可班视为一类寒考虑。 承轮税增负荷、减负荷运行对对予每个对刻t ，箕转速都是苓变盼，恒定必裙始额定转速， 其计算步骤如下： 首先假设水轮机的水头为h o ，计算出单位转速： 根据特髋曲线由单位转速和韧始导盱开度插值得弱单位流量和实际流量 q = z “，r ) q = q 研反 接下来诗葵农辍辊进出口静鹾力： 秘p = c p 一8 l - q h s = c 七b r q 根据能照方程计算出水轮机水头： 。h - 磁瑚s q 轰轰蕞埒 设置松弛蕉数球= 0 ，0 5 0 1 ，冷： h t = h q + 仪t h h 0 ( 2 - 9 7 ) 2 的话， 雕 ， 就嚣癸舣i 一，嚣此若时间步长设震瓣偏丈，剥软传会巍动弹出对话框提醒时坶步长设置不合 2 a 理，并鬻求藏灏设置，鲡翻s 1 1 。 参数全部设置完毕后则可以点击“计算”开始进行撼渡过程的计算。同时程序会弹出对话框 进行提示，计算结柬后，也会弹出对话框提示，如豳5 1 2 、5 - 1 3 。 中酮表业a 学颟：学披论文第五章酸龋蒋电站过渡过程 算1 j 分折 霸5 - 1 0 幕绕参数避置对嚣撼 霭p 1 时间步长设i 不台理錾5 - t 2 羿攘计算瞻5 - 1 3 计算结束 5 4 水电站过渡过程计算结果 计算结束屠，可以对计算结果进行晨零靼穰存。对于初始蠛定漉水轮机参数的计葬可以在水 轮规属性页上番剃，翔豳5 1 4 ，也可班程菜单“计算缀皋”巾备个设备t - - o 的时刻蠢劐。 非恒定流朗梳缎、管道靼调匿宣嚣个时刻的压力、流鬣簿备个参数的计算结聚都可戳在“计 算结果”菜单中在下拉列表中选定某个水轮机组或某条管道后裔到，如图5 1 5 。其中水轮机组的 各项参数可以在设簧水轮机i d 届，根据所计算的结果绘出该水轮机某项参数与时问嶷化的曲线。 中国农业大学磷l ：学位逾文 第五牵欧酗海电站过渡过程净算，分折 聃5 一承轮机绻恒定漉计算螭皋 翻期s 承转祝望恒定流弹篝铸象 在这盛，计弊了欧阳海电站在同一= 1 二况下导叶关闭规律不阉时的情况，图5 1 6 所示为一段关 6 0 孛辫农韭大学硖一 ”学链诡文 第五帮敦鬻海畦站避渡过程计算，j 分析 闭的导叶关闭规律，即山始开度为2 0 0 m m ，1 0 秒钟后线形关闭到1 6 r a m ；图5 。1 7 所示为两段关 闭的导叶关闭规律，由翩始开度2 0 0 r a m 经历1 秒钟后导叶开度关闭到5 0 r r m i ，辩经过9 秒钟， 导时舞度方降为1 6 r a m 。 豳5 一1 6 一段盏两的导叶关闭靛律 5 1 7 礴段关闭的导卧美辩规律 荣翅不同的导时关翅趣律对税缀难受蘅的计冀缝祭有着较大的影晌，器5 - 1 8 至豳5 - 2 5 分别 是在一段关闭的导咔关闭规律和疆段关闭的导叶芙闭羧律下新计算褥出的机织流蛩，转速、进口 压力和力矩与时间的关系曲线。 6 中围农业大学蛳。i 岸位论文第五章欧阳海电站过渡过程计算，1 分析 豳一1 8 采用一段肆叶关闭规律的帆组漶变化曲线 蹦5 一1 9 采枣一段尝卧关溺麓律的辘疆转速变诧盏线 藉5 - 2 0 采带一段导盼荚j j 规律髀进口摄为变诧盏跬 中国农业大学顿 ：学位论文 第五章欧阳海也站过渡过狸计算t ，分析 圈5 1 2 1 采用一段导肿燕闭规律的机螅力矩变化瞌缌 髓5 - 2 2 采用两段黪卧荚嘏规霉辫矾绻滚l 囊健曲线 鬻5 - - 2 3 采焉两段霉奸荚阕靛律静撬鳃转薅銮亿盏缝 中圈敏韭大学砸1 擘艇论文 攀五常敢礤海瞧站过渡过程计算分辑 图5 - 2 4 采用两段辱叶关闭搬雄的进口压力嫩化曲线 田5 吨5 壤带两段粤叶美辩髓摊的机姐力矩变化髓缝 珂戥善出，在采嗣一段关 j l 豹簪竹美瓣艇律时，瓤维转速在5 秒左右上秀捌蜂营2 8 1r r a